01) Generador de Funciones

GENERADOR
DE
FUNCIONES
Comenzamos esta obra tratando de
explicar cómo se arma un circuito
electrónico, realizando el diseño del
montaje “desde cero”.
En la era de los microcontroladores de
los prototipos digitales, solemos olvi darnos de los beneficios de la electró nica analógica.
Si uno desea contar con herramientas
para el diseño de circuitos electróni cos específicos, es fundamental saber
cómo funciona un transistor, un ampli ficador operacional y un temporizador
como el 555.
Para poder explicar “las bondades de
la electrónica analógica” elegimos un
generador de funciones (genera seña les senoidales, triangulares y cuadra das en una amplia gama de frecuen cias) construido a partir de amplificadores operacionales y un conformador realizado con dio dos.
El generador de funciones (también conocido como generador de audio) es un instrumento útil
para el tallerista, especialmente para ser usado en tareas de calibrado de amplificadores de au dio, verificación de la respuesta en frecuencia de un equipo, puesta en marcha de sistemas di gitales y análisis de circuitos electrónicos en general. Es importante que el técnico sepa mane jar el instrumento, pero también debe conocer su funcionamiento con el objeto de poder utili zarlo al máximo.
Luego de conocer cómo funciona el circuito, lo armaremos y lo simularemos con un laborato rio electrónico (en este caso emplearemos Livewire). De esta manera, no sólo aprenderá a cons truir osciladores, amplificadores, diferenciadores e integrados con amplificadores operaciona les, sino que tendrá la oportunidad de comprobar su funcionamiento en una computadora y
aprender a manejar el osciloscopio de un laboratorio virtual.
Por último, veremos cómo construir el circuito impreso de este circuito utilizando el programa
PCB Wizard y cuáles son las diferencias obtenidas si el impreso se obtiene en forma totalmente
automática o con la ayuda del operador, para colocar los componentes en forma manual. De más
está decir que lo que enseñamos en este primer capítulo es aplicable al resto de los kits desa rrollados en este texto.
3
LOS KITS DESTACADOS DE SABER ELECTRÓNICA
Nos interesa usar el A.O.
como oscilador de onda
cuadrada, para ello nos
En el año 1985 diseñé
valemos del circuito de la
el circuito de un generador
figura 2, que entrega una
de funciones que luego
señal de forma de onda
publiqué en Saber Eleccuadrada en la salida y
trónica Nº 10, luego en
una señal de forma de
Saber Electrónica Nº 182
onda diente de sierra en
volvimos a exponerlo pero
el punto A.
con mejoras en el impreso
Como la ganancia del
para que sea más comA.O. es muy alta, una pepacto.
queña diferencia de tenCuando programamos
sión entre los puntos A y
los temas que incluirían
A partir del tomo 11 del Club Saber Electrónica (publicado en
los tomos de colección del
B lleva a la salida al nivel
noviembre
de 2005) se editó un curso de TV color con asisten Club Saber Electrónica,
de Vcc ó -Vee; es decir,
cia por internet y en él, además del texto teórico, se describen
decidimos que los tomos
la salida tendrá un estado
instrumentos quie pueden ser empleados en el mantenimiento
11, 13, 15 y 17 corresponde "saturación". Por
y la reparación de estos equipos.
Uno de los instrumentos es el generador de funciones, objeto
derían a un curso compleejemplo, si VA>VB, ende este capítulo.
to de televisión con asistonces Vo = -Vee (Vo =
tencia por Internet y exátensión de salida); si
menes, que el alumno pueda contes- medio de un circuito asociado deter- VA<VB, entonces Vo = +Vcc (Ver figutar para obtener un certificado cuando minado puede utilizarse como: a) am- ra 3).
apruebe el curso. Cada uno de estos plificador inversor, b) amplificador no
Supongamos en un primer motomos contiene los montajes de ins- inversor; c) sumador; d) separador; e) mento, que la salida del circuito de la
trumentos útiles para el manteni- integrador, f) diferenciador g) oscila- figura 2 está en estado alto (VO =
VCC), en esas condiciones, como li =
miento, reparación y calibrado de los dor, etc.
O debido a la alta impedancia del A.O.
receptores de televisión, razón por la
se tiene que:
cual tuvimos que “reflotar” al genera- Figura 1
dor de funciones.
VCC
Mientras leía la nota publicada
I1
=
–––––––
hace más de 16 años, comencé a
R1 + R2
pensar que muchos lectores quizá no
tengan la oportunidad de diseñar y
Luego, por ley de Ohm, la tensión
montar sus propios circuitos, porque
el en punto B (entrada positiva del
hoy ya casi ni se enseña la electróniA.O.) será:
ca analógica, por ese motivo decidí
realizar esta nota en la que se vuelVB = I1 x R2
ven a explicar los conceptos teóricos,
se realiza la simulación electrónica
en Livewire y se diseña el circuito impreso con la ayuda de PCB Wizard 3.
Introducción
Descripción Teórica
El amplificador operacional (A.O.)
es un circuito de muy alta ganancia,
impedancia de entrada elevada e impedancia de salida baja. El símbolo
del amplificador operacional se muestra en la figura 1.
El amplificador operacional por
4
Figura 2
Figura 3
GENERADOR
VCC
VB = ————— x R2
R1 + R2
Es decir, en el primer instante de
análisis, el capacitor C está descar-gdo por lo cual:
VCC
VA = 0 y VB = ––––––– x R2
R1 + R2
Por lo tanto VA < VB lo que justifica que la salida seté en estado alto
(V0 = +Vcc). En esas condiciones el
capacitor se carga desde Vcc a través
de R1 según muestra la figura 4.
Figura 4
Cuando la tensión sobre el capacitor supera la tensión del punto B se
cumple que VA > VB y la salida cambia de estado, es decir, Vo = -Vee.
En ese momento la tensión en el
punto B es negativa ya que:
-Vee
VB1 = –––––––– X R2
R1 x R2
También cambia de signo la tensión de carga del capacitor, razón por
la cual el capacitor se carga con una
corriente de signo contrario (se descarga) hasta que VA = 0 cargándose
luego con una tensión negativa respecto de masa (figura 5).
DE
FUNCIONES
descarga de C puede variarse a través de R; es decir, si R es variable
tendré señales de frecuencia variable
a voluntad del operador. Lo dicho se
explica en la figura 6.
Se puede demostrar que en el entorno de "0" volt de la señal diente de
sierra, la tensión crece o decrece casi
en forma lineal, por lo tanto si hacemos que el operacional cambie de estado para tensiones próximas a cero
volt, en el punto A tendré una señal
Figura 7
Figura 5
triangular de bajo nivel.
La figura 7 muestra una señal
triangular casi perfecta como consecuencia de haber tomado:
La tensión que adquiere el capacitor con el transcurso del tiempo vale:
t
VA = VCC (1 - e
–––––
-RXC
)
Esta situación se repite constantemente, lo que permite tener una señal
de onda cuadrada a la salida de operacional y una señal diente de sierra
en el punto A. El período de carga y
R1
R2 << R1 x (R2 = ––––––)
10
Proponemos que R2 = R1/10
Luego, haciendo cálculos mate-
Figura 6
5
LOS KITS DESTACADOS DE SABER ELECTRÓNICA
Figura 8
Figura 10
máticos es fácil deducir que el punto B
oscilará entre dos valores con crecimiento lineal (onda triangular), estos
valores son:
Vcc
VB = ––––
11
y
-Vee
VBʼ = –––––
11
Con esta consideración, el oscilador de la figura 2 entregará señales de
forma de onda cuadrada y triangular,
pero como la señal triangular es de
menor amplitud, se la amplifica por
medio de un A.O. conectado en configuración no inversor según muestra
la figura 8.
La ganancia del segundo amplificador operacional (Vo2) de esa figura
se calcula:
Vo2 -R3
––– = –––
VA R4
Basta entonces, encontrar la relación (R3/R4) apropiada para que la
amplitud de la onda triangular sea
igual a la amplitud de la señal de onda cuadrada.
Para muchas aplicaciones, puede
resultar útil tener una señal rectangular con ciclo de actividad variable, es
decir, con tiempos de estado "alto” y
estado "bajo" distintos (ver figura 9).
Utilizaremos otro operacional que
compare la señal triangular con una
tensión fijada por el técnico.
Cuando la señal triangular alcanza
dicho valor, el A.O. satura debido a su
elevada ganancia. El circuito propuesto se muestra en la figura 10.
Con P1, fijo una tensión VD en la
entrada no inversora del A.O. , luego,
la salida está en estado alto mientras
la onda triangular no alcance ese valor.
Cuando VC> VD (la señal triangular alcanzará el nivel VD) el A.O. "se
da vuelta", es decir, variando P1, cambia la tensión VD y
por lo tanto, también cambia el ci-
Figura 9
6
clo de actividad de la onda cuadrada.
Para obtener una señal de forma
de onda senoidal se utiliza un CONFORMADOR que es una matriz formada por diodos y resistencias como
muestra la figura 11.
La matriz transforma la onda triangular en onda senoidad debido a que
reduce la pendiente de la señal diente
de sierra a medida que aumenta su
amplitud. La señal así obtenida se
aplica a un A.O. implementando como
amplificador no inversor de corriente
continua.
En realidad, la forma de onda resultante senoidal puede considerarse
como una serie de tramos rectos que
cambian de pendiente cada cuarto de
ciclo. R19, P2 y R20 forman un divisor
resistivo para que la señal triangular a
conformar tenga la amplitud necesaria
con el objeto de tener un onda senoiFigura 11
GENERADOR
DE
FUNCIONES
Figura 12
7
LOS KITS DESTACADOS DE SABER ELECTRÓNICA
dal con un contenido armónico inferior
al 3%.
De esta manera tenemos un generador de onda cuadrada, rectangular y
senoidal de amplitud constante aproximadamente igual a (Vcc + Vee) y
frecuencia variable dependiente de la
carga y descarga de C a través de R.
Aprenda Construyendo
Es importante que antes de armar
el generador de funciones se interiorice en el circuito a construir, con el objeto de no cometer equivocaciones.
En la figura 12 se muestra el circuito
completo del generador, que hemos
armado y simulado en Livewire, tal como veremos más adelante.
Es conveniente, en el montaje, colocar zócalos (bases) para los circuitos integrados con el objeto de poder
reemplazarlos fácilmente en casos de
deterioros. C se cambia por medio de
una llave selectora con el objeto de
Figura 13
variar la frecuencia del generador por
bandas según muestra la figura 13.
Colocando valores de capacidad
apropiados se pueden conseguir frecuencias desde algunos Hz hasta
50kHz aproximadamente.
Si se colocan circuitos integrados
del tipo CA741, el generador entrega
formas de onda aceptable hasta
5kHz. Para frecuencias superiores la
impedancia de entrada del operacional disminuye y el tiempo de respuesta del mismo se hace considerable,
8
razón por la cual
aparecen notables distorsiones
en todas las formas de onda. Para aumentar el
rango de frecuencias se deben colocar A.O. con entrada FET del tipo
Figura 14
LF356 en CI1 Y
CI2. CI3 y CI4
pueden seguir siendo CA741.
Para probar el instrumento una
vez armado, conéctelo a una fuente
de alimentación como la mostrada en
la figura 14.
Con un osciloscopio verifique las
formas de onda cuadrada, rectangular, senoidal y triangular en los puntos
1, 2, 3 y 4 respectivamente, para ello
calibre el pre-set P3 de modo de obtener una señal senoidal casi perfecta
(con osciloscopio en punto 3). Si desea puede colocar una llave selectora
con el objeto de seleccionar la forma
de onda a utilizar.
Variando P2 verifique que cambia
la frecuencia de la señal mostrada.
Con el osiloscopio en 2 varíe P1
verificando que cambie el ciclo de actividad de la señal rectangular. Es indispensable el uso de un osciloscopio
para comprobar el correcto funcionamiento del generador, si Ud. no lo posee recurra a un service amigo o algún laboratorio electrónico. Con un
frecuencímetro podrá calibrar el recorrido de P2 en valores de frecuencia
para las distintas bandas.
Una vez calibrado el instrumento
no será necesario ni el osciloscopio ni
el frecuencímetro, pues tendrá la seguridad que su generador de funciones funciona correctamente.
Note que la amplitud de salida del
oscilador es alta y constante. Para poder variar la amplitud a voluntad puede utilizar otro amplificador operacional como inversor (no figura en el circuito impreso) como muestra la figura
15.
De esta manera, con un reducido
costo Ud. puede construir un instrumento de múltiples aplicaciones, que,
si bien no es de excelente calidad,
puede competir con la mayoría de los
generadores comerciales de taller,
con la ventaja que Ud. sabe cómo funciona y puede armarlo con poco dinero.
Dejo a su elección el gabinete sobre el cual montará el instrumento y el
diseño del frente, pero le aconsejo
que siga las indicaciones que le he
dado a lo largo de esta lección.
Más adelante le explicaré circuitos
alternativos que, adosados a este ge-
Figura 15
GENERADOR
nerador, aumentan su utilidad convirtiéndolo en un verdadero instrumento
de laboratorio. Como puntas de conexión exterior puede utilizar un cable
mallado conectando en sus extremos
pinzas de las denominadas "cocodrilos".
Le reitero que relea este capítulo y
no arme el prototipo hasta no estar seguro de comprender perfectamente el
funcionamiento del equipo propuesto.
Si tiene el programa Livewire haga la
simulación tal como explicaremos a
continuación y si no lo tiene, baje el
DEMO que está en www.webelectronica.com.ar con la clave newave.
Si no ha tenido inconvenientes...
¡Manos a la Obra!
Armado y Simulación del
Generador en un
Laboratorio Electrónico
Tal como lo decimos al comienzo,
¡vamos a full con la electrónica analógica! y para comprobar esta frase, veremos una herramienta fundamental
para todo amante de la electrónica,
sea aficionado, estudiante, técnico o
ingeniero.
Los laboratorios virtuales son utilitarios que se instalan en computadoras para que se puedan armar circuitos y simular su funcionamiento sin
que sea necesario tener que montarlo
realmente. Nosotros sugerimos el Livewire como programa simulador por
varias razones: es económico, práctico, fácil de usar, posee una amplia biblioteca de componentes y se lo actualiza constantemente a través de Internet. Hace casi 5 años que “adoptamos” este programa para realizar las
notas de Saber Electrónica y hasta
editamos un libro llamado “Simulación
de Circuitos & Diseño de Circuitos Impresos” (figura 16) que explica el funcionamiento de Livewire y PCB Wizard 3 y trae gran cantidad de ejemplos prácticos. Como ya hemos explicado varias veces el uso de este programa, sólo haremos una introducción
a modo de “recordatorio” sobre la forma de armar un circuito.
Tenemos que armar nuestro circuito y para eso, debemos crear un
nuevo documento en el cual dibujará
su circuito.
Para crear un nuevo documento,
haga click en el botón “nuevo” o elija
“nuevo” del menú de archivo. Sobre
el nuevo documento aprenderemos a
usar la galería para agregar componentes a su circuito.
Si la galería no está actualmente
abierta, presione sobre el botón Gallery (galería) en la barra de herramientas para abrirlo (figura 17).
Seleccione la opción símbolos de
circuito.
En la ventana de la galería de
símbolos de circuito, usted podrá ver
todos los componentes que se encuentran disponibles dentro del programa (figura 18).
En la figura 19 se pueden ver las
diferentes galerías de componentes
con que contamos para hacer nuestros proyectos.
DE
FUNCIONES
Figura 16
Figura 17
Los componentes dentro de la
galería están agrupados de acuerdo
a su función. En la parte superior de
la ventana hay una lista que le permi-
Figura 18
9
LOS KITS DESTACADOS DE SABER ELECTRÓNICA
Figura 19
te seleccionar qué grupo será exhibido. Para hacer el circuito de la figura
12, del grupo “fuentes de alimentación”, agregue los componentes “batería” al documento de trabajo. Para
hacer esto coloque la flecha del mouse sobre el símbolo batería, presione
y mantenga el botón izquierdo del
mouse, con el botón aún sostenido,
arrastre el símbolo a su circuito. Finalmente, suelte el botón del mouse
cuando el símbolo del circuito esté en
la posición requerida dentro del documento de trabajo.
Ahora necesitaremos agregar el
resto de los componentes, para lo
cual procederemos de forma análoga
a lo recién explicado.
Agregue resistores fijos, resistores variables, circuitos integrados
amplificadores operacionales, capacitores, diodos, etc. de cada grupo
según los mostrados en la figura 19.
10
Debemos posicionar los componentes cuidadosamente sobre el documento de trabajo antes de comenzar
a diseñar el circuito.
Figura 20
Figura 21
GENERADOR
Tenga en cuenta que se pueden
mover los componentes si nos fijamos con el mouse sobre ellos, haciendo un click y manteniendo apretado el botón mientras movemos el
componente sobre la posición requerida. Para esto, desde la barra de herramientas, deberemos seleccionar
el cursor como un señalador estándar (figura 20).
En la figura 21 podemos ver cómo quedarán los componentes una
vez arrastrados sobre el documento
de trabajo. Por razones de legibilidad
del circuito, sólo pusimos algunos
componentes, a los que ya les hemos puesto su numeración y valor
(más adelante explicaremos cómo se
hace esto). Tenga en cuenta que es
conveniente pensar en la posición
que deberán tener los componentes
antes de colocarlos sobre el documento de trabajo. La posición de los
componentes al comienzo, puede
ayudar a producir un diagrama de circuito más claro.
Para alinear los pines de algunos
componentes, necesitará rotarlos (en
el caso de la figura 21, hemos rotado
a R21 y R22), para ello seleccione el
componente haciendo un click con el
mouse y entonces presione sobre el
botón “rotar” hacia la izquierda o a la
derecha de
la barra de
h e rra mi e n ta s
(figura 22).
Una vez que
Figura 22
los componentes han sido ubicados, usted puede comenzar a unirlos. Para hacer
esto usted debe primero presionar
sobre el botón “seleccionar” de la barra de herramientas (figura 23).
Figura
23
Luego, mueva el mouse sobre el
pin superior de la batería (figura 24).
Mientras sostiene el mouse sobre el
pin se dará cuenta que aparecerá un
recuadro describiendo
ese pin en particular. Presione y mantenga con el
botón izquierdo del mouse, sin soltarlo mueva el
mouse hasta el punto
donde desea hacer la
unión.
Usted puede dibujar
curvas, deslizando el botón del mouse sobre el
mismo o presionando sobre una parte vacía del
circuito, como por ejemplo la posición (b) de la figura 25. Como vamos a
conectar la salida del
operacional con R21, para completar la unión,
deslice el botón del mouse sobre la parte superior
de R21 sin dejar de presionar el botón izquierdo
del mouse (figura 26).
Ahora agregue las diferentes conexiones hasta completar el circuito
del generador, tal como
se muestra en la figura
12. Cabe aclarar que Ud.
puede bajar el archivo de
este generador desde
nuestra web para no tener que construirlo, sin
embargo recomendamos
que lo arme Ud. mismo
con el objeto de practicar.
Para bajar este archivo y
el del PCB que explicaremos más adelante, diríjase a www.webelectronica.com.ar, haga click en
el ícono password e ingrese la clave
“gene”.
Para unir dos pistas, simplemente deslice el botón del mouse sobre
una pista existente. Se dará cuenta
que, cuando haga esto, se agrega
automáticamente una unión en el
punto de conexión.
Si se equivoca, en cualquier momento puede presionar el botón
“deshacer” para corregir cualquier
DE
FUNCIONES
Figura 24
Figura 25
Figura 26
error. Con el diagrama de circuito de
la figura 12, puede comenzar a ajustar el valor de los componentes (tenga en cuenta que en dicha figura ya
están los valores reales y que el procedimiento que vamos a explicar, en
dicho circuito ya lo hemos seguido).
Para cambiar el valor de un componente, haga doble click sobre él
con lo cual se exhibirán las características del mismo (figura 27). El
11
LOS KITS DESTACADOS DE SABER ELECTRÓNICA
todos los componentes el botón derecho del mouse sobre
pasivos siguiendo los pa- un diodo y seleccione el modelo
sos indicados. Luego de- 1N4148 de la lista de modelos habibe asignar la matrícula a litados.
Debe proceder de la misma malos semiconductores, por
ejemplo, qué tipo de am- nera para todos los componentes
plificador operacional va a del circuito.
Para simular el funcionamiento
usar en cada caso (el procedimiento es el mismo del circuito de la figura 12, debemos
para diodos y
transistores).
Figura 29
Presione el botón derecho
del mouse sobre el operacional y del
menú que aparece, elija el
Figura 28 UM741 de la
lista de modecampo VALOR para el resistor se los (figura 29).
muestra en la parte inferior de la
Usted se dará cuenta
ventana y consiste en un valor y un de que el A.O. está etimultiplicador (figura 28). Ingrese 10 quetado como UM741 en
en el primer recuadro de valor (es el el diagrama de circuito.
valor del resistor), y luego presione
La mayoría de los
sobre la flecha de la derecha del se- componentes dentro de
gundo recuadro si debiera cambiar PCB Wizard, proveen
el multiplicador de K (x1000) a x1. modelos diferentes. Los
En nuestro caso eso no es necesa- leds por ejemplo, están
rio.
disponibles en una gama
Para completar el diseño del cir- de diferentes colores.
cuito, necesitará ajustar el valor de Pruebe ahora, presione
Figura 27
Figura 31
Figura 30
12
GENERADOR
Figura 32
Figura 33
Figura 34
agregar un osciloscopio, para ello,
de la galería de instrumentos hacemos un click sobre el instrumento y
lo arrastramos hacia nuestra hoja de
trabajo (figura 30). Hecho ésto, hacemos un click sobre el instrumento
DE
FUNCIONES
con el botón derecho del mouse y
seleccionamos la opción Add
Graph (figura 31). Luego, al mover
el mouse verá que aparece un cruce
de líneas que me indica la posición
donde colocaremos “la pantalla del
osciloscopio” (en realidad un gráfico
que la simula). Hacemos click en la
posición donde queremos colocar el
gráfico y manteniendo el botón izquierdo del mouse apretado vamos
corriendo hasta obtener el tamaño
del gráfico que nosotros querramos
(figura 32). Ahora debemos fijar los
parámetros del osciloscopio, para
ello, haciendo un doble click sobre el
gráfico, aparece una tabla para fijar
los valores de tensión máxima y mínima y la escala de tiempos en sentido horizontal (la base de tiempo del
osciloscopio, que no es la base de
tiempo de simulación, la que deberemos fijar después). Como no sabemos la frecuencia que vamos a
medir, en Time colocamos “2 ms”,
en maximum colocamos 15V y en
minimum ponemos -15V (figura
33). Note que el canal 1 se graficará
en color rojo y el canal 2 en color
azul, Ud. puede cambiar los colores
en que se presentarán las señales
en el gráfico haciendo un doble click
en el cuadrito donde está la definición del color. Cuando definimos todos los parámetros apretamos OK.
Ahora conectamos el osciloscopio, de modo que el canal 1 muestre
la señal cuadrada (terminal 1) y el
canal 2 la señal triangular (terminal
4). Por último, antes de hacer la simulación, debemos ajustar la base
de tiempo de simulación (Timing
Control), es decir, el programa deberá realizar la simulación en un tiempo del mismo orden del período de
la señal a mostrar, caso contrario el
resultado será erroneo (se sugiere
que el tiempo de simulación sea entre 3 y 10 veces el valor de la frecuencia que se está mostrando).
Como el generador produce señales de 1Hz a unos 50kHz, en principio podemos decir que la señal a
13
LOS KITS DESTACADOS DE SABER ELECTRÓNICA
Figura 35
Lista de Materiales:
R1 - 18kΩ
R2 - 18kΩ
R3 - 10kΩ
R4 - 1kΩ
R5 - 82Ω
R6 - 150kΩ
R7 - 1MΩ
R8 - 18kΩ
R9 - 10kΩ
R10 - 1kΩ
R11 - 68Ω
R12 - 120Ω
R13 - 220Ω
R14 - 220Ω
R15 - 120Ω
R16 - 68Ω
R17 - 1kΩ
R18 - 560Ω
R19 - 18kΩ
R20 - 47kΩ
R21 - 10kΩ
R22 - 10kΩ
14
R23 - 100Ω
R24 - 10kΩ
R25 - 470Ω
R26 - 1kΩ todas de 1/8W
Capacitores para cambio de banda
con:
* CA - 470pF
* CB - .005µF
* CC - .05µF
* CD - .2µF
D1 a D6 - 1N4148
* CI1 y CI2 - LF356
* CI3 y CI4 - CA741
P1 - Potenciómetro de 100kΩ lineal
P2 - Potenciómetro de 1MΩ logar.
P3 - Pre-set de 10kΩ
P4 - Potenciómetro de 10kΩ lineal
* L1 - Llave selectora 1 polo 4 posiciones
* L2 - Llave selectora 1 polo 4 posiciones
* (Ver texto)
Figura 36
mostrar será del orden de 1kHz, es
decir, su período (inversa de la frecuencia) será de 1 ms, por lo tanto,
fijamos ese tiempo en Timing Control. Para ajustar ese parámetro, en
la barra del menú vamos a Tools, Simulation, Timing Control (figura 34).
Aparece una pantalla como la de la
figura 35, en la que debemos seleccionar la opción Accuracy (precisión)
y le decimos que tome 25 muestras
por cada período de simulación para
mostrar la señal en el gráfico. Pocas
muestras pueden generar una señal
que no está de acuerdo con la reali-
GENERADOR
dad (en el caso de mostrar
señales complejas) y muchas muestras puede
arrojar una señal con mucho ruido.
Ajustada la base de
tiempo, ya estamos en
condiciones de realizar la
simulación, al apretar el
botón RUN, comenzará a
graficarse las señales, tal
como se muestra en la figura 36. Si no aparecen
las señales, es porque el
Timing Control es muy pequeño, auméntelo 10 veces. Si aparecen líneas
verticales como si se tratara de una señal de muy alFigura 37
ta frecuencia, entonces el
Timing Control es muy
grande y debe bajarlo 10
veces. La experiencia le
Luego volvemos al circuito en Liirá diciendo en qué valores debe
vewire y en la barra de herramientas
ajustar el tiempo de simulación.
En el gráfico de nuestro ejemplo, hacemos un click en Tools (Herrala señal tiene un período de 1,3 ms, mientas) y deslizamos el mouse sin
es decir, corresponde a una frecuen- soltar el botón hasta Convert y luecia de unos 770Hz. Puede variar la go Design to printed circuit board
frecuencia ajustando VR2 para ob- en donde debemos soltar el botón
servar cómo cambia la señal en el del mouse, tal como vemos en la figráfico. También puede colocar otro
osciloscopio para verificar la producción de señales de onda senoidal y
cuadrada con ciclo de actividad variable. Realice todas las pruebas
que crea conveniente y se va a sorprender de los resultados obtenidos.
Hecha la simulación ya nos enconFigura 38
tramos en condiciones de explicarles la forma de obtener el circuito impreso.
DE
FUNCIONES
gura 37. Automáticamente nos aparecerá una ventana como la que se
ve en la figura 38, ésta nos dice que
el programa nos guiará para poder
realizar el diseño siguiendo determinadas pautas que nosotros podremos cambiar de acuerdo con nuestro criterio. Haciendo click en Next
Figura 40
Cómo Hacer un PCB
Optimizado
Una vez que tenemos nuestro
proyecto armado en Livewire, procedemos a hacer el correspondiente
circuito impreso. Para eso, sin cerrar
Livewire debemos abrir el programa
PCB Wizard 3.
Figura 39
Figura 41
15
LOS KITS DESTACADOS DE SABER ELECTRÓNICA
el programa siga en forma automática, en forma manual o semimanual,
o por partes. Veamos algunas de las
opciones.
Figura 42
42
Figura
(próximo) aparecerá otra ventana
para configurar el tamaño de la placa de circuito impreso (figura 39),
aquí podrá seleccionar la opción pa-
Figura
Figura 44
Figura 45
Figura
Figura 46
16
Creando un PCB
en Forma Automática
Figura
Figura 43
43
ra que el PCB Wizard elija el tamaño
y forma adecuada o Ud. podrá colocar las medidas que crea convenientes. Una vez que definió las medidas
del futuro PCB, haga click en Next y
aparecerá otra ventana que nos
muestra la lista de materiales utilizados en nuestro proyecto (figura 40),
es muy probable que en algún proyecto Ud, por algún motivo, haya dejado componentes fuera del circuito,
o sin conexión, por lo tanto, éstos no
deberán aparecer en la placa y en
esta ventana tendrá que destildar a
dichos componentes. Siguiendo la
lista podrá corroborar si aparecen
todos los elementos que forman parte del circuito. Cuando hayamos
verificado que están todos los componentes, hacemos click en Next
para ver la próxima ventana, que
nos pregunta si el circuito posee una
fuente digital (figura 41), cosa que
ocurriría en el caso en que se usan
compuertas lógicas, y en cuyo diagrama esquemático no aparecen las
conexiones de positivo y negativo de
dichos componentes, nuestro circuito no posee dichas fuentes por lo
cual destildamos la opción para que
las incluya y continuamos. Dando un
click en Next aparecerá una nueva
ventana donde deberemos indicar si
queremos o no, que el programa
realice automáticamente la colocación de los componentes en el impreso, que gire los componentes si
es necesario, que los fije al impreso
y el espacio mínimo entre pistas, como vemos en la figura 42. Es a partir de aquí que podemos indicar que
Haciendo click en Next vamos a
la siguiente pantalla que nos da la
opción del ruteo automático para la
unión de los componentes, si pueden haber pistas en diagonal, si es
necesario agregar puentes, si es de
doble faz o faz simple y el grosor de
las pistas (Ver figura 43).
Volvemos a hacer click en Next y
se abre otra pantalla que nos da la
opción de agregar cobre en todas
las partes vacías del impreso (Automatically add copper area(s) to
the board), con lo que nos ayuda a
ahorrar percloruro férrico a la hora
de hacer el impreso. Nos da también
la opción de cambiar la distancia entre pistas para que no pasen unas
muy cerca de otras pudiendo provo-
Figura 47
Figura 48
GENERADOR
Figura 49
Note que al hacer el ruteo automático tenemos el inconveniente de
que si nuestro proyecto posee muchos componentes, el impreso contendrá algunos puentes entre conexiones y hasta puede hacerse confuso a la hora de armar el PCB en la
vida real.
Para mejorar este problema existen otras maneras de proceder. Podemos recurrir a la manera manual o
semimanual, o diseñarlo por partes
eso dependerá de usted y lo complicado del proyecto.
DE
FUNCIONES
Figura 52
Creando un PCB
de Forma Semimanual
Figura 50
Figura 51
car un cortocircuito entre pistas (figura 44). Damos nuevamente un
click en Next y finalmente aparecerá
la última pantalla antes del proceso
de conversión, donde solamente debemos hacer click en Convert como
vemos en la figura 45.
Inmediatamente después, vemos que los componentes se van
colocando dentro del tablero que será nuestro circuito impreso y esperaremos a que haga el ruteamiento automáticamente. En unos minutos
tendremos nuestro impreso terminado (ver figuras 46, 47 y 48).
Debemos seguir los mismos pasos que antes hasta la pantalla de la
figura 41, quien indica si vamos a
utilizar conexiones de fuentes digitales.
Luego de indicar si necesitamos
conectar fuentes digitales o no, damos un click en Next y nos aparece
nuevamente la pantalla de la figura
42, pero en este caso, destildamos
la opción Automatically place
components on the board (figura
49) y hacemos click en Next para
que aparezca la siguiente ventana
que nos permitirá continurar en la
definición de parámetros hasta obtener la pantalla de la figura 50, hacemos click en Convert.
Veremos en la pantalla siguiente
la placa de circuito impreso vacía y
debajo de ella todos los componentes que usaremos y que deberemos
ir colocando en dicha placa.
Para continuar, debemos tener
una idea de cómo irán colocados los
componentes en el PCB de manera
tal que no le sea tan complicado al
programa hacer las conexiones y de
esa manera no aplicar puentes entre
pistas. (Figura 51).
Ahora, vamos haciendo un click
con el mouse sobre cada componente y lo arrastramos hasta lo que
será la placa de circuito impreso co-
Figura 53
Figura 54
mo vemos en la figura 52. Recuerde
que puede rotar los componentes,
primero seleccionándolos con el
mouse y luego haciendo click en el
ícono de rotar como se ve en la figura 53, damos la orientación que
creemos conveniente.
Así vamos colocando todos los
componentes hasta tener a todos en
la placa de acuerdo con la posición
que creemos adecuada, tal como
vemos en la figura 54. Para este paso, conviene tener a mano el circuito eléctrico, así sabremos la cerca-
17
LOS KITS DESTACADOS DE SABER ELECTRÓNICA
nía y posición más adecuada entre
elementos.
Una vez hecho esto, vamos a la
barra de herramientas y hacemos
click en Tools y deslizamos el mouse soltando en Auto route - route
all nets (figura 55) y nos aparecerá
una ventana que da las opciones para que se puedan crear pistas diagonales, agregar puentes entre pistas
si es necesario y si el impreso será
Figura
Figura 55
Figura 56
de simple faz o de doble faz (ver figura 56). Destildamos la opción de
los puentes y la del impreso de doble faz. Así comenzará un nuevo ruteo como se ve en la figura 57. Terminado el proceso, esta vez el programa nos ha creado sólo 8 puentes
entre pistas (figura 58), varios menos que en la versión automática,
que había creado 12 puentes.
A partir de aquí, el proceso lo podemos continuar de forma manual y
así ir encontrando soluciones a los
puentes creados, ya que cuanto menor sea la cantidad de ellos, mejor
será nuestro diseño. También podemos compactarlo (hacer el impreso
más pequeño).
Mejoremos entonces el proyecto,
los pasos a seguir son los siguientes:
Proceso de Optimización
Manual de un PCB
Creado Semiautomáticamente
Figura 59
Figura 60
Figura 61
61
Figura
Tenemos el diseño que muestra
la figura 58, agrandamos la página
con la lupa (encuentra el ícono lupa
en la barra de herramientas), y
tratamos de buscar alternativas
cambiando componentes de lugar,
rotándolos (Con los íconos de rotar
Figura 57
Figura 58
18
), corriendo las pistas, en
fin... utilizando todas las herramientas disponibles en el programa para
poder confeccionar un impreso del
menor tamaño posible.
Podemos, por ejemplo, modificar
la pista que une el preset VR1 con
R1. También podemos modificar las
conexiones de R1 y R2 que van al
preset VR1, tal como vemos en las
figuras 59 y 60. Para modificar las
pistas, seleccione el cursor en la barra de herramientas
como se
ve en la figura 59 y luego haga click
sobre la pista a modificar, como se
ve en la figura 60, arrastre los puntos interiores de la pista selecciona-
Figura 62
Figura
Figura
Figura 63
GENERADOR
Figura 64
Figura
65
Figura 65
Figura 66
Figura
Figura 67
Figura
67
da y diríjala hacia donde quiere llevarla (vea la figura 61) y compare los
cambios con la figura 59. Como puede ver, hemos hecho un poco más
simple una parte del impreso sin
afectar al circuito, ya que los dos re-
sistores, tanto R1 como R2 son del
mismo valor y además los resistores
no llevan polaridad para conectarse.
Ahora podemos acercar más al
VR1, R1 y R2 al circuito integrado
IC2, como se ve en las figuras 62 y
63.
Recuerde que si en algún momento se encima la etiqueta de un
componente sobre otro, puede seleccionar dicha etiqueta y haciendo
un click en Edit, y deslizando el puntero del mouse hasta Label / Fixed
o ejecutando las teclas S h i f t + Ctrol+F, podrá cambiar de lugar dicha
etiqueta sin mover el componente,
como se muestra en la figura 64.
En la figura 65 vemos que R23
puede cambiarse de lugar y de esa
manera evitar que pase una pista
entre las terminales 5, 6 y 7 del integrado IC2. Pero también hay una
pista para cambiar de lugar y poder
conectar el otro extremo de R23, para eso hacemos click sobre la pista y
la movemos a partir de los puntos o
nodos internos, también podemos
agregar nodos, haciendo click con el
botón derecho del mouse teniendo
la pista seleccionada, ver figura 66.
El resultado del cambio lo vemos en
la figura 67.
Observamos que el preset VR2 y
R3 pueden colocarse más cerca del
integrado IC1, y éste a su vez más
cerca de R4 y R5, de esa manera de
a poco vamos compactando el circuito impreso. Recuerde mover cada
pista o componente
con cuidado para no
equivocarse y luego
hacer una conexión
errónea. Si tiene dudas vuelva atrás con
el ícono atras /adelante (
de
la barra de herramientas) y luego hacia adelante.
Así vamos mejorando el diseño del
DE
FUNCIONES
Figura
Figura 68
Figura69
69
Figura
Figura 70
Figura
70
Figura
Figura 71
71
Figura 72
19
LOS KITS DESTACADOS DE SABER ELECTRÓNICA
impreso, haciendo lugar
para colocar pistas donde
había puentes. Para eliminar un puente selecciónelo y luego presione la tecla
“Delete”, ver figura 68, y
luego con el ícono que se
muestra en la figura 69
podemos dibujar las pistas, antes haga un doble
click sobre el ícono para
definir el grosor de la pista
que vamos a dibujar (figura 70). Para eso haga click
sobre el centro de la terminal de un componente y
vaya arrastrando el mouse haciendo un click en
cada nodo o curva hasta
quedar conectado al componente correspondiente,
donde deberá hacer doble
click para que la pista se
fije al impreso y una los
componentes, como se ve
en la figura 71.
Finalmente, obtenemos nuestro impreso sin
puentes y en un tamaño
bastante reducido. (Ver figura 72).
Queda para una próxima entrega, explicar cómo
hacer el PCB por partes,
sin embargo, en la figura
20
73 reproducimos el circuito impreso en tamaño
real, ya sea del lado del
cobre como de los componentes.
Una vez construído el generador, sólo debe realizar un ajuste y para ello
tiene que contar con un
osciloscopio o un analizador de espectro.
Tiene que ajustar VR3
para que la señal senoidal posea el menor contenido armónico posible,
si cuenta con un osciloscopio, tiene que mover el
pre-set hasta que la imagen vista en pantalla sea
lo más senoidal posible.
Con VR2 ajusta la frecuencia en pasos finos,
mientras que VR1 permite el ajuste del ciclo de
actividad de la señal de
forma de onda cuadrada
obtenida en la salida 2.
Para cambiar el rango de
frecuencias, debe conmutar al valor de C1.
Si emplea transistores
con entrada FET, podrá
conseguir señales superiores a los 50kHz con
Figura 73 muy pocas deformaciones.
Le aconsejamos que antes
de montar el generador realice la simulación en Livewire, si no tiene el programa
completo, puede bajar un
demo de nuestra web, dirijiéndose a www.webelectronica.com.ar, haciendo click
en el ícono password e ingresando la clave: “gene”.
El montaje no reviste consideraciones especiales y si
sigue las indicaciones dadas
en el comienzo de este artículo verá que habrá aprendido “mucho” sobre electrónica “analógica”. ✪